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LECHOS EMPACADOS ROTATORIOS
GENERALIDADES
En el transcurso de los últimos años la intensificación de procesos ha sido uno de los
principales objetivos de en el ejercicio de la ingeniería química en la industria, la
principal razón ha sido la necesidad de mejorar los equipos y técnicas involucradas en
procesos típicos como la transferencia de masa y calor. Esto ha enfocado a la
comunidad científica en buscar y analizar, nuevos métodos y técnicas que permitan
alcanzar este gran objetivo. Los retos de este desafío consisten principalmente en el
diseño de nuevos equipos y su debida implementación en los diferentes campos de la
industria. La motivación de este cambio no solo obedece a factores económicos sino
también al desarrollo de tecnologías confiables, seguras, y más eficientes,
desarrollando una nueva filosofía como la miniaturización y descentralización de
plantas.
Unos de los pioneros de la intensificación de procesos es Colin Ramshaw, cuya
filosofía apunta a la reducción significativa del tamaño individual de plantas modelos en
un factor de diez o más, lo cual implica una reducción en los costos, un alza en la
eficiencia y seguridad. Los procesos donde se ven involucradas las transferencias de
masa y de calor, la intensificación de procesos busca mejorar ciertos inconvenientes
inherentes tales como: limitaciones en el mezclado, tiempos de reacción largos y
coeficientes de transferencia de calor y de masa desfavorables.
Uno de los trabajos más importantes realizados por Ramshaw es el uso de lechos
empacados rotatorios o RPBs a los procesos de absorción, adsorción y destilación.
Ramshaw basó su principio en un aumento de la fuerza gravitacional (al agregar una
fuerza centrifuga por rotación) de un sistema, lo cual genera una mayor velocidad en la
frontera de la interface y con ello una mejora en los rendimientos de los procesos en los
que se fundamentan en los fenómenos de transferencia de masa y de calor.
Los RPBs ideados por Ramshaw son una alternativa novedosa y que provee buenos
resultados al ser implementados en procesos de adsorción, destilación y absorción. El
equipo empleado consiste en una unidad con un lecho empacado montado entre dos
discos que rotan coaxialmente con el eje de un rotor, en la unidad, el liquido es
alimentado desde el centro del rotor sobre el empaque y fluye externamente bajo la
acción de la fuerza centrifuga.
El aire comprimido se introduce en la superficie exterior del disco y se fuerza
radialmente hacia el interior, en contracorriente con el líquido La alta aceleración
centrifuga aplicada por la unidad (la cual puede inducir fuerzas centrífugas más de
1000 veces la de la gravedad), permite un mayor rendimiento en la unidad, puesto que
se generan fuerzas de corte en el liquido, dando películas muy delgadas de liquido, las
cuales pueden cubrir grandes áreas superficiales cuando se usa un empaque fino.
Adicionalmente la aceleración centrifuga puede causar la regeneración continua y
rápida del área superficial. Estos factores en conjunto con la turbulencia generada por
el gas ofrecen grandes transferencias de masa y una altura pequeña de unidades de
transferencia en comparación d los lechos empacados convencionales.
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Aunque se puede usar cualquier tipo de material para el embalaje, el cual se
caracteriza por un área de superficie muy alta a la relación de volumen y una porosidad
baja. Frecuentemente se usa espuma metálica porosa o polímeros, su elección debe
ser consistente con las características del sistema puesto que la naturaleza del
empaque genera una caída de presión significativa, lo cual es desfavorable para la
torre, sin embargo a altas presiones la caída de presión es insignificante.
ECUACIONES Y BALANCES
PROCESO DE DESTILACION
Los balances involucrados en el proceso de destilación usando RPBs son los
siguientes.
Balance de un volumen diferencial de la unidad, teniendo en cuenta la fase liquida y la fase gaseosa:
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Definiendo los términos radiales (los cuales poseen unidades de área):
Las ecuaciones para los coeficientes volumétricos de transferencia de gas y de líquido son:
La relación entre el área húmeda y el área específica del empaque:
Tensión superficial del empaque:
PROCESO DE ABSORCION
Coeficiente volumétrico de transferencia de gas se calcula con la expresión:
Coeficiente de transferencia masa de gas tenemos la siguiente correlacion:
Coeficiente de transferencia de masa de liquido:
Área interfacial gas-liquido efectiva:
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Donde KLa:
PROCESO DE ADSORCION
Las ecuaciones para un proceso de adsorción donde se implementen RPBs son las
siguientes:
Coeficiente externo de transferencia de masa βL
Ecuación general de la distribución de poros:
Condiciones iniciales para la ecuación de distribución de poros:
Modelo propuesto como solución a la ecuación de distribución de poros:
Difusividad de poro:
Ecuación de difusión superficial
Condiciones iniciales para la ecuación de difusión superficial:
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Modelo propuesto como solución a la ecuación de difusión superficial:
VENTAJAS
Tamaño reducido en los equipos, al reducir del tamaño de la unidad se
disminuyen los costos de construcción de la planta.
Alta transferencia de masa a alturas bajas en unidades de transferencia.
Un alto rendimiento del equipo, disminuye los tiempos de residencia del liquido y
la cantidad de liquido a la entrada, esto es ventajoso cuando los calores
sensibles de especies explosivas están involucrados.
Al tener una aceleración alta de la fase liquida – vapor se genera altos
coeficientes volumétricos de transferencia de masa, película de líquidos más
delgadas y burbujas de vapor más pequeñas, esto reduce la probabilidad a la
inundación de la unidad.
DESVENTAJAS
Caída de presión relativamente alta, debido a caída de presión por fricción dada
por la aceleración centrifuga.
Al emplear un sello dinámico para prevenir el paso de gas al rotor, se
compromete la confiabilidad y longevidad debido al contacto con el fluido que se
esté tratando.
Una sola unidad no es suficientemente competente para realizar destilación
continua debido a la incapacidad de ubicar el rotor en posición radial,
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equivalente a un plato intermedio en una columna de destilación normal, luego
se requieren dos unidades para destilación continua.
Existe dificultad para acoplar múltiples rotores debido a la complejidad en la
aplicación de los sellos dinámicos.
APLICACIONES
Absorción: Gases como SO2, CO2, NH3 son removidos del aire, mientras otras
sustancias son separadas entre sí como el H2S del CO2.
Fabricación de materiales de gran valor agregado tales como titanio.
Separación en mezclas liquidas: remoción de O2 de agua, monómeros
residuales de polímeros, compuestos volátiles orgánicos de aguas subterráneas,
NH3 de agua.
Adsorción: intercambios iónicos, recuperación de proteínas, producción de
químicos finos.
Destilación: Separación de mezclas de alcoholes (methanol/etanol,
etanol/propanol, ciclohexano/tolueno, ciclohexano/n-heptano).
Extracción liquido -líquido: recuperación de penicilina; extracción de trazas de
contaminantes en agua.
Crystallization: producción de nanoparticulas.
Reacciones químicas: generación de ozono, poli-condensación; polimerización;
fermentación; producción de HOCl.
Electrochemical cell: removal of gas bubbles from the electrodes.
PARÁMETROS DE DISEÑO DE RPBS:
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Para un volumen diferencial tenemos
que:
Balance
general:
Integrando:
En fracciones molares:
Altura del lecho:
Altura unidades de
transferencia:
CONSIDERACIONES TERMODINAMICAS:
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La relación de las pendientes entre la
línea de operación y equilibrio
determinará el factor de separación y
por lo tanto las unidades de
transferencia requeridas (NTU) para un
sistema de separación dado (xin / xout).
Los datos de equilibrio se pueden usar
para determinar información sobre la
fuerza motriz P para el soluto entre la
de presión de vapor de la fase líquida, y
la presión parcial de la fase gaseosa.
OBSERVACIONES
Los RPBs trabajan rangos de relaciones de flujo flexibles, es decir que se
pueden conocer los requerimientos del proceso sin cambiar los objetivos en las
propiedades de la transferencia de masa.
La correlación de Sherwood no es aplicable para la predicción de la velocidad en
los RPBs.
En el punto de inundación una cantidad significativa de liquido se acumula en la
región central o región de ojo como resultado del arrastre del liquido por el gas y
la incapacidad del lecho de acelerar el liquido.
Al aplicar grandes velocidades de inyección se producen buenos resultados,
aunque se deben realizar estudios acerca de la influencia de la densidad del
lecho así como las profundidades radiales como base en la justificación de los
costos de bombeo
.BIBLIOGRAFÍA
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ADSORPTION BEHAVIOR OF PESTICIDE METHOMYL ON ACTIVATED
CARBON IN A HIGH GRAVITY ROTATING PACKED BED REACTOR.
CHIUNG-FEN CHANG*, SHU-CHI LEE. DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL
SCIENCE AND ENGINEERING, TUNGHAI UNIVERSITY, P.O. BOX 181,
TAICHUNG 407, TAIWAN
EUROPEAN ROADMAP OF PROCESS INTENSIFICATION - TECHNOLOGY
REPORT. AUTHOR: JIAN-FENG CHEN, BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL
TECHNOLOGY, CHINA
ABSORPTION OF ETHANOL INTO WATER AND GLYCEROL/WATER
SOLUTION IN A ROTATING PACKED BED. CHIA-YING CHIANG, YU-SHAO
CHEN, MAO-SHIH LIANG, FANG-YI LIN. CLIFFORD YI-DER TAI, HWAI-SHEN
LIU. DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERING, NATIONAL TAIWAN
UNIVERSITY, TAIPEI 106, TAIWAN
DISTILLATION STUDIES IN A ROTATING PACKED BED CONTACTOR
(HIGEE) A THESIS SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE
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AVIJIT BHOWAL DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERING, JADAVPUR
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PROCESS INTENSIFICATION: MASS TRANSFER AND PRESSURE
DROPFOR COUNTERCURRENT ROTATING PACKED BEDS. HAITEM
MUSTAFA HASSAN-BECK, A THESIS SUBMITTED FOR THE DEGREE OF
DOCTOR OF PHILOSOPHY, FACULTY OF ENGINEERING, UNIVERSITY OF
NEWCASTLE-UPON-TYNE, JULY 1997
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